[發明專利]一種壓電驅動的機器胸鰭姿態調整系統及其工作方法

有效

• 申請號: 202110030066.5
• 申請日: 2021-01-11
• 公開（公告）號: CN112678136B
• 公開（公告）日: 2021-12-10
• 發明（設計）人: 許嘉嘉;劉瑞;金家楣;王亮
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: B63H1/36
• 分類號: B63H1/36;H02N2/00
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務所 32237
• 代理人: 韓天宇

1.一種壓電驅動的機器胸鰭姿態調整系統，其特征在于，包含殼體、壓電驅動單元和機器胸鰭；

所述殼體包含支撐部、第一至第四連接輻條、球鉸安裝座和球鉸；

所述球鉸包含球殼和球體，所述球殼為沿其軸線設有通孔的圓柱體，其內設有和所述球體相匹配的球形腔體；所述球體設置在球殼內的腔體中，能夠自由轉動，且球體沿球殼軸線設有螺紋通孔；

所述球鉸安裝座呈圓柱狀，其沿軸線設有用于安裝所述球鉸的通孔；所述球殼固定在所述球鉸安裝座的通孔中、和球鉸安裝座同軸；

所述第一至第四連接輻條為相同的U形結構，均包含兩條側邊以及兩端分別和兩條側邊垂直固連的底邊；

所述支撐部主體為圓柱體，和所述球鉸安裝座同軸；所述第一至第四連接輻條周向均勻設置在所述支撐部、球鉸安裝座之間，一端和所述支撐部的側壁固連，另一端和所述球鉸安裝座的側壁固連，且第一至第四連接輻條的底邊均平行于所述支撐部的軸線；

所述支撐部靠近球鉸安裝座的端面上設有半球形凹槽，該半球形凹槽和支撐部同軸；

所述機器胸鰭包含連接桿和槳葉，所述連接桿一端和所述槳葉的尾部同軸固連；

所述壓電驅動單元包含金屬基體、螺桿、彈簧、以及第一至第四壓電陶瓷片；

所述金屬基體包含驅動部和承載部；所述承載部為實心長方體，包含四個側壁和兩個端壁；所述驅動部為實心四棱錐，其底面和所述承載部的一個端壁對應固連、頂端設有驅動足；所述驅動部和承載部同軸；

所述金屬基體在其承載部遠離驅動部的端壁中心沿其軸線設有盲孔；

所述第一至第四壓電陶瓷片分別設置在所述承載部的四個側壁的外壁上，均沿厚度方向極化，極化方向均朝外或均朝內；

所述螺桿一端從所述金屬基體的盲孔伸入、和所述金屬基體的盲孔間隙配合，另一端穿過球體上的螺紋通孔后所述連接桿遠離槳葉的一端同軸固連；所述螺桿和球體螺紋相連；

所述彈簧設置在金屬基體的盲孔內，一端和所述金屬基體相抵、另一端和所述螺桿遠離連接桿的一端相抵，使得驅動部頂端的驅動足抵住所述支撐部上半球形凹槽的中心。

2.根據權利 要求1所述的壓電驅動的機器胸鰭姿態調整系統，其特征在于，所述承載部的四個側壁的外壁上分別設有用于設置第一至第四壓電陶瓷片的凹槽。

3.根據權利要求1所述的壓電驅動的機器胸鰭姿態調整系統，其特征在于，所述第一至第四壓電陶瓷片上均涂有硅橡膠或DP460環氧膠水，用于防水。

4.基于權利 要求1所述的壓電驅動的機器胸鰭姿態調整系統的工作方法，其特征在于，包含如下步驟：

令第一、第三壓電陶瓷片相互平行，第二、第四壓電陶瓷片相互平行，球鉸安裝座的軸線所在直線為z軸，平行于所述第一壓電陶瓷片且和球鉸安裝座軸線垂直相交的直線為x軸，和x軸、z軸同時垂直相交的直線為y軸；

如需實現機器胸鰭在zox面上振蕩運動：

分別對第一至第四壓電陶瓷片施加第一至第四信號，并使得第一和第三信號相同、第二信號和第三信號相位差為π/2、第二信號和第四信號相位差為π，所述第一至第四信號均為交流諧波信號，此時，壓電驅動單元上同時產生一階縱振和二階彎振，一階縱振和二階彎振的復合使得驅動足在zox面上作橢圓運動，產生的摩擦力使得壓電作動器驅動螺桿繞球鉸上的旋轉中心旋轉，其旋轉半徑為旋轉中心與支撐部界面在zox平面投影上的任意點的連線；螺桿帶動槳葉在zox面上實現振蕩運動；

如需實現機器胸鰭在zoy面上振蕩運動：

分別對第一至第四壓電陶瓷片施加第一至第四信號，并使得第二和第四信號相同、第一信號和第二信號相位差為π/2、第一信號和第三信號相位差為π，所述第一至第四信號均為交流諧波信號，此時，驅動足在zoy平面上作橢圓運動，產生的摩擦力使得壓電作動器驅動螺桿繞球鉸上的旋轉中心旋轉，其旋轉半徑為旋轉中心與支撐部界面在zoy平面投影上的任意點的連線；螺桿帶動槳葉在zoy面上實現振蕩運動；

如需實現沿z軸的螺旋運動：

分別對第一和第四壓電陶瓷片施加第一至第四信號，并使得第一信號和第二信號的相位差為π/2、第一信號和第三信號的相位差為3π/2、第二信號和第四信號在時間相位上相差3π/2，所述第一至第四信號均為交流諧波信號，此時，壓電驅動單元金屬基體上產生在時間上和空間上均相差90度相位差的二階彎振模態，兩個二階彎振復合，在壓電驅動單元的盲孔上將產生類似“搖頭”的橢圓運動，驅動插入盲孔的螺桿沿z軸螺旋運動，使得槳葉實現旋轉運動；將第一和第二信號的相位差調整為-π/2，可實現槳葉的反向旋轉運動。